量子井戸赤外線光検出器

量子井戸赤外線光検出器（QWIP）は、量子井戸内の電子サブバンド間遷移を利用して光子を吸収する赤外線 光検出器です。赤外線検出に使用するには、量子井戸赤外線光検出器の量子井戸のパラメータを調整して、第 1量子化状態と第 2 量子化状態のエネルギー差が入射する赤外線光子のエネルギーと一致するようにします。QWIP は通常、スマートフォンや高速通信機器によく使われる材料であるガリウムヒ素で作られています。 ^[1]量子井戸の材料と設計に応じて、QWIP のエネルギーレベルを調整して、 3～20 μm の赤外線領域の放射を吸収することができます。^[2]

QWIPは、中波長および長波長の赤外線を検出できる最も単純な量子力学デバイス構造の1つです。安定性、ピクセル間の高い均一性、および高いピクセル操作性で知られています。^[3]

1985年、スティーブン・エグラッシュとローレンス・ウェストは多重量子井戸（MQW）における強いサブバンド間遷移を観測し、量子井戸を赤外線検出器に使用することについてより真剣に検討するきっかけとなった。^[4]これまで、赤外線検出に量子井戸を使用する試みは、電子を障壁の上まで運ぶ量子井戸での自由吸収に基づいていた。しかし、結果として得られた検出器は低い感度を示した。^[5]

1987年までに、高感度赤外線検出を実証した量子井戸赤外線光検出器の基本動作原理が策定されました。1990年には、障壁の厚さを増やすことでトンネル電流を抑制することで、この技術の低温感度がさらに向上しました。^[5]この時点で、これらのデバイスは正式に量子井戸赤外線光検出器として知られていました。^{[5] [6]} 1991年に、このアプローチを使用して最初の赤外線画像が得られました。^[5]

2002年、米国陸軍研究所（ARL）の研究者らは、遠隔温度検知用に効果的な波長切り替え機能を備えた電圧調整可能な2色QWIPを開発した。この装置は、電子が量子井戸の1つにあるとき、10Kで正バイアスのピーク検出波長が7.5マイクロメートルを示し、電子が他の井戸に移ったときに大きな負バイアスで8.8マイクロメートルに切り替わった。^{[7] [8]}

しかし、民生用途で使用されているにもかかわらず、QWIP 技術は米軍では軍事用途には不十分であると考えられていました。当時、光検出器は、光が材料層と平行に移動する場合にのみ 1 次元の量子化を感知できました。これは通常、光が検出器の端に照射されたときに発生します。その結果、QWIP 技術の量子効率はわずか 5 パーセントでした。さらに、この問題を軽減するために業界で一般的に使用されている反射格子は、非常に細かい周期的な柱で作られており、大きな形式で製造するのが困難でした。^[1]

この問題に対処するため、陸軍研究所の研究者らは2008年に波形量子赤外線光検出器（C-QWIP）を開発しました。これは光検出器上のマイクロミラーを使用して、任意の波長で光を量子井戸領域にリダイレクトする効率を高めました。^[9]本質的には、45度傾斜した検出器の側壁により、光が材料層と平行に反射され、電気信号が生成されます。^[10] ARLとL-3 Communications Cincinnati Electronicsの研究者らが実施したテストでは、C-QWIPが3マイクロメートルを超える帯域幅を示したことが判明しました。これは、当時の市販のQWIPの5倍の広さでした。^[9] C-QWIPはガリウムヒ素を使用して製造できるため、解像度を犠牲にすることなく、校正とメンテナンスの必要性が少なく、陸軍ヘリコプターの従来の赤外線検出器よりも手頃な代替品として機能しました。^[11]

2013年2月、NASAはランドサットデータ継続ミッションの一環として、熱赤外線センサー（TIRS）を搭載した衛星を打ち上げました。TIRSは陸軍研究所が設計した3つのC-QWIPを使用して、地球から放射される長波長の光を検出し、地球の水と土地がどのように使用されているかを追跡しました。このアプリケーションは、QWIPが宇宙で使用された最初の例でした。^{[1] [11] [12]}

赤外線検出器は一般に、物体から放射される放射線を検出することで機能し、放射線の強度は物体の温度、距離、サイズなどの要因によって決まります。ほとんどの赤外線光検出器とは異なり、QWIPは単一のエネルギーバンド内の光学遷移に基づいているため、検出材料のバンドギャップに依存しません。その結果、これまで可能だったよりもはるかに低いエネルギーの放射線で物体を検出することができます。^[5]

QWIP の基本要素は、障壁によって分離された量子井戸です。量子井戸は、井戸内に 1 つの閉じ込められた状態と、障壁の上部に揃う最初の励起状態を持つように設計されています。井戸は n ドープされており、基底状態は電子で満たされています。障壁は、量子井戸間の量子トンネル効果を防ぐのに十分な幅があります。一般的な QWIP は、20 ～ 50 個の量子井戸で構成されています。QWIP にバイアス電圧が適用される場合、伝導帯全体が傾斜します。光がない場合、量子井戸内の電子は基底状態のままです。QWIP がサブバンド間遷移エネルギーと同じかそれ以上のエネルギーの光で照射されると、電子が励起されます。

電子が励起状態になると、連続体へと逃げ出し、光電流として測定されます。光電流を外部から測定するには、量子井戸に電界をかけて電子を抽出する必要があります。この吸収と抽出のプロセスの効率は、いくつかのパラメータに依存します。

光電流

検出器が光子束（単位時間あたりの光子数）で照射されていると仮定すると、光電流は ${\displaystyle \phi}$${\displaystyle I_{ph}}$

${\displaystyle I_{ph}=e\phi \eta g_{ph}}$

ここで、は素電荷、は吸収効率、は光伝導利得です。^[13]およびは光子が光電流に電子を追加する確率で、量子効率とも呼ばれます。は光子が電子を励起する確率で、電子輸送特性に依存します。 ${\displaystyle e}$${\displaystyle \eta}$${\displaystyle g_{ph}}$ ${\displaystyle \eta}$${\displaystyle g_{ph}}$${\displaystyle \eta}$${\displaystyle g_{ph}}$

光伝導ゲイン

光伝導ゲインは、励起された電子が光電流に寄与する確率、またはより一般的には、外部回路内の電子の数を光子を吸収する量子井戸の電子の数で割ったものです。 最初は直感に反するかもしれませんが、 が1 より大きくなる可能性があります。 電子が励起され光電流として抽出されるたびに、量子井戸からの電子の損失を相殺するために、反対側 (エミッタ) コンタクトから余分な電子が注入されます。 一般に、捕獲確率 であるため、注入された電子が量子井戸を越えて反対側のコンタクトに入ることがあります。 その場合、電荷を相殺するためにエミッタ コンタクトからさらに別の電子が注入され、再び井戸に向かいます。この電子は、捕獲される場合とされない場合があります。これを繰り返して、最終的に電子が井戸に捕獲されます。 このように、 は1 より大きくなる可能性があります。 ${\displaystyle g_{ph}}$${\displaystyle g_{ph}}$${\displaystyle p_{c}\leq 1}$${\displaystyle g_{ph}}$

の正確な値は、捕獲確率と脱出確率の比によって決まります。 ${\displaystyle g_{ph}}$${\displaystyle p_{c}}$${\displaystyle p_{e}}$

${\displaystyle g_{ph}={\frac {p_{e}}{N\,p_{c}}}}$

ここで、は量子井戸の数です。量子井戸の数は捕獲確率を増加させますが、脱出確率は増加させないため、分母にのみ現れます。 ${\displaystyle N}$${\displaystyle p_{c}}$${\displaystyle p_{e}}$

• NASA QWIP研究
• メガピクセル センサー用 Corrogated QWIP (第 27 回陸軍科学会議) ^{[永久リンク切れ]}